CN104550496A - 一种模具动态配合精度补偿的工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模具技术领域，具体地说是一种模具动态配合精度补偿的工作方法。一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：步骤一，对模具分别进行板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析；步骤二，将板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析得出的模具板材制件减薄量、模具结构弹性变量、模具热变形量进行耦合；步骤三，将耦合后的数据进行模面补偿规则；步骤四，将模面补偿规则后的数据通过CAD软件加工模型曲面重构；步骤五，将加工模型曲面重构后的模型加工成成品。同现有技术相比，使用板料成型分析、结构弹变分析和热变形分析三种CAE手段来分辨预测钣金件成型后的各部位减薄量、模具接触面的弹性变形和热处理后模具的变形趋势与量值。

Description

一种模具动态配合精度补偿的工作方法
技术领域
本发明涉及模具技术领域，具体地说是一种模具动态配合精度补偿的工作方法。
背景技术
目前，影响模具动态配合精度的主要因素有板料拉延成型减薄时模具型面的微变形，模具结构在成型大压力下的弹性微变形以及模具材料淬火处理后组织的微变形导致的模具变形。
为满足模具凸角的硬度，疲劳寿命和冲击韧性等指标，现场一般采用的热处理方式为表面淬火。表面淬火会加热模具和冷却过程中使模具产生不均匀变形，从而产生不等应变，在模具达到常温后存有残余应力和变形，针对这一现象，采集现场边界条件并加以简化，采用有限元方法进行分析。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，将理论数据与现场数据相结合，并且采用有限元方法进行分析，得出高精度的补偿数据，这样大幅度降低钳工的工作量，并且提升模具品质。
为实现上述目的，设计一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：
步骤一，对模具分别进行板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析；
步骤二，将板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析得出的模具板材制件减薄量、模具结构弹性变量、模具热变形量进行耦合，所述的耦合为数据叠加；
步骤三，将耦合后的数据进行模面补偿规则，即为将叠加后的数据进行修正；
步骤四，将模面补偿规则后的数据通过CAD软件在计算机上进行加工模型曲面重构；
步骤五，将加工模型曲面重构后的模型进行CNC加工成成品。
所述的板料成型分析的工艺流程为，
步骤一，将模具板材进行板材理论分析，将模具板材的边界条件及摩擦系数结合进行优化计算，即对板料本构模型、物理条件施加方式和基于生产和模具等级的摩擦系数选择这三项主要参数进行优化配置，由板料成型CAE软件计算其成型性；
步骤二，对模具板材进行现场实例验证，通过ARGUS测量技术测量出模具板材的相应数据后进行现实模型转换，所述的相应数据为主负应变和减薄量数据；
步骤三，将模具板材的理论数据及现实数据进行对比，反推修正板料成型的理论模型使得CAE软件计算减薄量不断逼近现场实际数据，为正向设计时的数据准确性提供保证。
所述的结构弹变分析的工艺流程为，
步骤一，将模具结构进行结构理论分析，将模具结构进行建立有限元模型，结合模具结构的边界条件进行罚因子优化计算；
步骤二，对模具结构进行现场实例验证，通过ATOS测量技术及PONTOS测量技术测量出模具结构的相应数据后进行现实模型转换，所述的相应数据为结构变形量数据；
步骤三，将模具结构的理论数据及现实数据进行对比，得出模具结构弹性变量。
所述的罚因子优化计算为罚函数（F(x, M )）的计算，其中M为足够大的正数，起"惩罚"作用， 称之为罚因子；先取较小的正数M， 求出F(x, M )的最优解x* ；当x*不满足有约束最优化问题的约束条件时，放大M ，例如乘以10，重复进行，直到x* 满足有约束最优化问题的约束条件时为止。
所述的热变形分析的工艺流程为，
步骤一，将模具进行热变形理论分析，将模具进行建立材料模型，结合模具热变形的边界条件进行换热系数优化计算，即针对不同模具材料的换热系数进行优化配置，由结构CAE软件分析计算模具热变形；
步骤二，对模具进行现场实例验证，通过ATOS测量技术及ARAMIS测量技术测量出模具的相应数据后进行现实——模型转换，所述的相应数据为热变形数据；
步骤三，将模具热变形的理论数据及现实数据进行对比，反推修正CAE软件的理论模型使得CAE软件计算热变形量不断逼近现场实际数据，为正向设计时的数据准确性提供保证。
所述的模面补偿规则为利用CAE手段分析结果与现场验证，使实际数据与理论数据不断逼近综合。
所述的模具热变形量为模具淬火变形量。
本发明同现有技术相比，使用板料成型分析、结构弹变分析和热变形分析三种CAE手段来分辨预测钣金件成型后的各部位减薄量、模具接触面的弹性变形和热处理后模具的变形趋势与量值。
CAE分析结果与现场的验证手段结合，使用德国GOM公司的静态应变测量设备ARGUS测量实际钣金件的材料减薄量，使用德国GOM公司的曲面扫描设备ATOS测量淬火前后和动态配合良好时的模具型面数据，动态变形测量设备PONTOS测量压力机工作时的变形，三维动态应变测量设备ARAMIS测量淬火过程中模具的变形。
使用现场测量设备得出的实际数据再修正我们的CAE的计算模型和参数，使得实际数据与理论数据不断逼近综合。这几项变形趋势和量值，结合模面补偿规则重构模具曲面，使得补偿后的曲面在模具工作时的动态配合精度符合要求，大幅度降低钳工的工作量提升模具品质。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
图2为模具动态配合精度补偿流程图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：
步骤一，对模具分别进行板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析；
步骤二，将板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析得出的模具板材制件减薄量、模具结构弹性变量、模具热变形量进行耦合，所述的耦合为数据叠加；
步骤三，将耦合后的数据进行模面补偿规则，即为将叠加后的数据进行修正；
步骤四，将模面补偿规则后的数据通过CAD软件在计算机上进行加工模型曲面重构；步骤五，将加工模型曲面重构后的模型进行CNC加工成成品。
板料成型分析的工艺流程为，
步骤一，将模具板材进行板材理论分析，将模具板材的边界条件及摩擦系数结合进行优化计算，即对板料本构模型、物理条件施加方式和基于生产和模具等级的摩擦系数选择这三项主要参数进行优化配置，由板料成型CAE软件计算其成型性；
步骤二，对模具板材进行现场实例验证，通过ARGUS测量技术测量出模具板材的相应数据后进行现实模型转换，所述的相应数据为主负应变和减薄量数据；
步骤三，将模具板材的理论数据及现实数据进行对比，反推修正板料成型的理论模型使得CAE软件计算减薄量不断逼近现场实际数据，为正向设计时的数据准确性提供保证。
结构弹变分析的工艺流程为，
步骤一，将模具结构进行结构理论分析，将模具结构进行建立有限元模型，结合模具结构的边界条件进行罚因子优化计算；
步骤二，对模具结构进行现场实例验证，通过ATOS测量技术及PONTOS测量技术测量出模具结构的相应数据后进行现实模型转换，所述的相应数据为结构变形量数据；
步骤三，将模具结构的理论数据及现实数据进行对比，得出模具结构弹性变量。
所述的罚因子优化计算为罚函数（F(x, M )）的计算。
热变形分析的工艺流程为，
步骤一，将模具进行热变形理论分析，将模具进行建立材料模型，结合模具热变形的边界条件进行换热系数优化计算，即针对不同模具材料的换热系数进行优化配置，由结构CAE软件分析计算模具热变形；
步骤二，对模具进行现场实例验证，通过ATOS测量技术及ARAMIS测量技术测量出模具的相应数据后进行现实——模型转换，所述的相应数据为热变形数据；
步骤三，将模具热变形的理论数据及现实数据进行对比，反推修正CAE软件的理论模型使得CAE软件计算热变形量不断逼近现场实际数据，为正向设计时的数据准确性提供保证。
模具热变形量为模具淬火变形量。
实施例：
一、机盖外板板料成型减薄量计算流程；
1. 求解器选择：LS-DYNA 971 R5.1。
2. 确定材料参数设置：
材料牌号：HX180BD；
材料性能：Y=211Mpa、T=334Mpa、N=0.19、R=1.13；
材料模型：HILL48；
材料厚度：0.65mm；
基准面：上型（Die）。
3.确定CAE模拟参数设置：
Draw Type（拉延类型）：单动拉延（Air Draw）；
BHF（压边力）：140T；
Tonnage（成型力）：300T；
Stroke（压边圈行程）：125mm；
Draw beads（拉延筋）：真实筋；
Accuracy（精度）：3积分点；
Friction Factor（摩擦系数）：0.12；
Refinement Level（分裂级数）：4级分裂。
4.确定坯料形状尺寸：
坯料尺寸的确定满足以下几个原则：拉延完坯料线最少还有5mm才流过拉延筋，撞击线不能流入到产品区域，满足上述要求及成型性要求的前提下尽量最小化坯料线，提高材料利用率。
5.坯料重力状态计算：
坯料的重力状态是指在平板坯料放于压边圈上，靠压边圈上的定位板定位后，平板坯料在自重状态下的变形，要求重力状态下的坯料稳定的接触压边圈，它会影响上模与压边圈合拢状态。
6. 坯料闭合状态计算：
坯料闭合状态是指上模与压边圈闭合时，拉延筋成型后，坯料受压的状态；要求闭合后的坯料尽量舒展，不能产生大的皱纹。
7.成型性计算：
坯料闭合后，按照设置的模拟计算的参数，LS-DYNA经过分布计算，成型到底满足收敛条件后输出成型性结果。如LS-DYNA软件所示，不同颜色分别代表产品各部位成型处于破裂、起皱或安全区域内。成型要求是产品区域必须处于安全区域，其他区域也不允许出现破裂或起皱倾向。
8. 板料减薄量结果及应用：
成型到底满足收敛条件后输出工件变薄量结果，平板坯料经过拉伸减薄定型成产品形状，各个部位的受力状态都不一样，导致各个部位材料的减薄量也不一样。模具的动态曲面配合精度是要追求到底时，凸凹模要同时接触产品板料的正反面，给产品区域钣金各个部位均匀的接触压应力，使得最终成型钣金件满足面品质和尺寸精度要求。
因为板料成型后的各个部位的厚度都不一样，那么凸凹模的合模间隙也应该与板料减薄成型后的厚度对应起来，根据减薄量计算结果来第一次补偿凸凹模间隙值。
9.实际现场验证：
实际现场验证包括重力状态验证、材料流入量验证、Argus 应变测量示例。
a． 重力状态验证
采集各个数据，进行公式计算。
b． 材料流入量验证（材料流入量决定了减薄量）
各个关键部位的现场实际流入量与理论流入量之间差值都在5mm左右，这表明初始的模拟参数设置以及实体筋与虚拟筋的对应转化达到要求；这进一步表明模拟计算的减薄量值相对准确，用于正向设计补偿符合要求。
c． Argus 应变测量示例
在平板料上印刷规则圆点，拉延成型完后，规则圆点变形为椭圆，通过椭圆的两个方向的变形量可以得出，拉延成型后钣金件各个部位的主负应变值。
使用光学扫描设备ARGUS，扫描成型后钣金件，将各个部位的主负应变值再现在计算机中，得出现场成型后的制件减薄率。
10. 修正理论模型：
a．根据流入量的现场和理论模拟的差值，反推实体筋截面尺寸与虚拟筋阻力系数之间更精确的对应关系。
b．根据实际检测的减薄量数据，确定理论计算时的裕度空间，修正理论计算时的摩擦系数。
二、机盖外板结构受力变形分析计算流程：
1. 前处理、划分网格：
用UG NASTRAN 高级仿真模块进行压力机和模具的前处理和网格划分，同时将模型各个部位的材料参数输入到分析模型中。
2. 结构变形CAE分析：
求解器采用ABAQUS 6.7。
a． 导入模型
b． 定义分析步
采用三个分析步，来逐步引导模型解算过程，来达到正确的分析结果。
c． 定义接触属性
采用Mechanical（力学的）分析选项，选择Tangential Behavior（切向属性）、Normal Behavior（法向属性）和Geometric Properties（几何属性）三种。对于法向属性的设置，约束增强方法选择Augmented Lagrange，将Tangential Behavior中的摩擦公式选择 Frictionless。
d． 定义接触控制
Contact controls选项中选择Automatic Overclosure tolerances；在 Augmented Lagrange 选项卡中将Penetration tolerance选项中的默认的0.001改为0.05，进行面－面接触分析时，此值选为0.05比较合适。
e． 定义接触
单击工具区中的Create Interaction，弹出Create Interaction对话框。
Discretization method选择Surface to surface。Slave Node/Surface Adjustment 选项 ，如果设置的接触面为滑轨与滑块接触面或者导板接触面，则该选项选择No adjustment；设置其他接触面该选项选择Specify tolerance for adjustment zone，输入数值为 0.02。
f． 定义绑定约束
Create Constraint中选择绑定约束Tie，是将滑块底面与压板槽之间设为绑定约束。
g． 定义载荷
在Load功能模块中定义载荷，载荷种类选择 Pressure，选择受力面，输入实际压力值。并将各个工步中力的相互影响停止作用（Inactive）。
h． 定义边界条件
Create Boundary Condition中，选择Symmetry/Antisymmetry/Encastre选项， Abaqus中U1、U2、U3用来指定三个方向的位移边界条件UR1、UR2、UR3用来指定三个方向的旋转边界条件。设置完全部固定边界条件后，设置临时边界条件。
i． 提交分析作业
使用Job功能模块。在Job Manager对话框中点击Submit（提交分析）。
j． 查看分析结果
使用Visualization模块，视图区中显示出模型。从等效应力分布图中可以得出等间隙模具由于强度不同，在哪些区域接触力大，哪些区域接触力小，即接触力大的部位着色硬，接触力小的部位没有着色。
从Z向位移云图上可以看出，凹模与凸模接触后，中间部位向下变形量小，周圈变形向下变形量小，即代表中间部位凸凹模配合间隙大，周圈配合间隙小。根据这个趋势，反补偿凸凹模具间隙，使得模具承压后的配合间隙均匀。
3. 现场验证、反推修正理论模型：
在钳工未研合时，模具施加成型压力，使用铅丝测量观察模具在压力下的曲面配合精度，验证模面补偿设计后的模具动态配合精度。
在钳工研合完成后保证了模具动态配合精度后，扫描模具的静态曲面数据，用于指导模面补偿的正向设计。
通过上述两项现场实际数据验证，修正模面补偿规则和结构分析的理论模型。
三、确定模面补偿规则：
经过板料成型、结构受力变形和结构受热变形CAE分析、现场的数据闭环对应、修正理论模型，使得理论计算与现场实际结果之间的差值在容许范围内的时候，可以得出一个阶段内成熟的模面补偿规则。
根据图2确定模面补偿规则，进行模面处理补偿操作。

Claims (7)

1.一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：
步骤一，对模具分别进行板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析；
步骤二，将板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析得出的模具板材制件减薄量、模具结构弹性变量、模具热变形量进行耦合，所述的耦合为数据叠加；
步骤三，将耦合后的数据进行模面补偿规则，即为将叠加后的数据进行修正；
步骤四，将模面补偿规则后的数据通过CAD软件在计算机上进行加工模型曲面重构；
步骤五，将加工模型曲面重构后的模型进行CNC加工成成品。
2.根据权利要求1所述的一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：所述的板料成型分析的工艺流程为，
步骤一，将模具板材进行板材理论分析，将模具板材的边界条件及摩擦系数结合进行优化计算，即对板料本构模型、物理条件施加方式和基于生产和模具等级的摩擦系数选择这三项主要参数进行优化配置，由板料成型CAE软件计算其成型性；
步骤二，对模具板材进行现场实例验证，通过ARGUS测量技术测量出模具板材的相应数据后进行现实模型转换，所述的相应数据为主负应变和减薄量数据；
步骤三，将模具板材的理论数据及现实数据进行对比，反推修正板料成型的理论模型使得CAE软件计算减薄量不断逼近现场实际数据，为正向设计时的数据准确性提供保证。
3.根据权利要求1所述的一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：所述的结构弹变分析的工艺流程为，
步骤一，将模具结构进行结构理论分析，将模具结构进行建立有限元模型，结合模具结构的边界条件进行罚因子优化计算；
步骤二，对模具结构进行现场实例验证，通过ATOS测量技术及PONTOS测量技术测量出模具结构的相应数据后进行现实模型转换，所述的相应数据为结构变形量数据；
步骤三，将模具结构的理论数据及现实数据进行对比，得出模具结构弹性变量。
4.根据权利要求1所述的一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：所述的罚因子优化计算为罚函数（F(x, M )）的计算。
5.根据权利要求1所述的一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：所述的热变形分析的工艺流程为，
步骤一，将模具进行热变形理论分析，将模具进行建立材料模型，结合模具热变形的边界条件进行换热系数优化计算，即针对不同模具材料的换热系数进行优化配置，由结构CAE软件分析计算模具热变形；
步骤二，对模具进行现场实例验证，通过ATOS测量技术及ARAMIS测量技术测量出模具的相应数据后进行现实——模型转换，所述的相应数据为热变形数据；
步骤三，将模具热变形的理论数据及现实数据进行对比，反推修正CAE软件的理论模型使得CAE软件计算热变形量不断逼近现场实际数据，为正向设计时的数据准确性提供保证。
6.根据权利要求1所述的一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：所述的模面补偿规则为利用CAE手段分析结果与现场验证，使实际数据与理论数据不断逼近综合。
7.根据权利要求1或4所述的一种模具动态配合精度补偿的工作方法，其特征在于：所述的模具热变形量为模具淬火变形量。
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